CN115283729A - 一种具有h型横刃结构的微细钻削刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种H型横刃结构的微细钻削刀具，包括钻柄、钻头和钻颈，钻颈锥角αn、钻头部分具有螺旋状的凹槽，所述钻头端部具有切削结构，切削结构包括主切削刃、副切削刃和横刃，横刃为H型结构，并在主切削刃和横刃之间形成副切削刃。本发明还公开了一种H型横刃结构的微细钻削刀具的制备方法，包括尖端切断、圆柱磨削、螺旋槽刃磨、后刀面刃磨、横刃修磨。本发明的H型横刃钻削刀具，可以有效地降低钻削力，改善钻削过程的排屑能力，提高钻削刀具钻削能力的同时减少钻削过程的阻力和刀具磨损。

Description

一种具有H型横刃结构的微细钻削刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及微小结构件异形内腔结构的加工领域，尤其涉及一种对航空发动机领域微小异形内腔加工用H型横刃结构的微细钻削刀具及其制备方法。

背景技术

发动机喷油嘴、激光陀螺仪、微仪表等微小精密结构件广泛应用在航空、航天等诸多行业，这类微小精密零件一般具有微小异形内腔的复杂结构，加工精度要求高，且其一般采用高温合金、不锈钢、无氧铜、SiC等难加工材料，导致微小异形内腔加工难度大且工艺复杂。

微细钻削是实现微小异形内腔加工的第一步工序，其依靠刀具自身的旋转，完成微小深孔的钻削加工，是决定微小异形内腔尺寸精度的第一步，因而高精度的微细钻削刀具是实现微小异形内腔高效精密加工的关键。横刃和切削刃作为微细钻削刀具的主要结构，对整个刀具的切削性能和刀具寿命具有显著的影响。然而，在微小结构件异形内腔结构的加工过程中，微细钻削刀具横刃处在钻孔过程中产生了钻削过程大半部分的切削轴向力，由于高强高硬的材料特点和复杂的加工工艺，容易引起刀具磨损、加工质量差等问题。普通钻削刀具的刀具结构和钻削过程钻削力分布情况如图1所示。

为了解决上述问题，本发明通过提出了小异形内腔加工用刀具设计原则，采用理论分析与仿真试验相结合的方法，设计出微小深孔钻削用H型横刃结构的微细钻削刀具，在原来横刃处形成副切削刃，有效地降低钻削力，改善钻削过程的排屑能力，提高钻削刀具的钻削能力。同时该种横刃修磨方式可以形成第二后刀面结构，可以有效避免后刀面对钻孔内壁的摩擦，使此后刀面的结构可以保证较好的定心能力。再次，H型横刃结构的副切削刃，减少横刃处的挤压作用，增强钻削性能，减少钻削过程的阻力和刀具磨损。

发明内容

本发明提出一种适用于航空航天领域精密结构件微小异形内腔钻削加工的H型横刃结构的微细钻削刀具，包括钻柄、钻头和钻颈，所述钻头和钻柄通过钻颈相连，钻颈锥角αn、钻头部分具有螺旋状的凹槽，所述钻头端部具有切削结构，其特征在于：所述切削结构包括主切削刃、副切削刃和横刃，所述横刃为H型结构，并在所述主切削刃和横刃之间形成副切削刃。

进一步地，所述切削结构还包括第一前刀面、第一后刀面，第二前刀面、第二后刀面和刃带，所述第二后刀面在所述横刃处形成所述副切削刃。

进一步地，所述钻削加工刀具钻头部分直径为d，两个主切削刃之间的夹角为锋角、锋角为120°，芯径比2t/d、大小为0.25、螺旋角β0大小为35°、横刃长度l为20μm。

本发明还公开了一种适用于航空航天领域精密结构件微小异形内腔钻削加工的H型横刃结构的微细钻削刀具的制备方法，采用六轴数控工具磨床刃磨而成，该六轴数控磨床可以实现五轴(X、Y、Z、A、W轴)联动，U轴的存在保证了刀具刃磨的定位精度，该磨床配备砂轮修整装置、自动上料机械手和仿真软件，其特征在于主要包括以下步骤：

(1)尖端切断。通过X、Y和W轴三轴联动，确定切断位置；加工开始时，平行砂轮端面II通过Z轴进给，完成刀具棒料的尖端切断。

(2)圆柱磨削。床通过X、Z移动到待加工位置，刃磨开始后，平行砂轮端面I通过X轴进给，Y轴控制磨削深度，将刀具棒料刃磨至指定尺寸。

(3)螺旋槽刃磨。斜边砂轮端面III通过X、Z轴移动到指定位置，刀具工作台通过Y、W轴到达螺旋槽刃磨前的准备位置；刃磨过程中，X、Y轴形成插补运动，保证刀具沿着轴向方向移动(U轴方向)，同时配合A轴旋转，形成沿着刀具棒料的螺旋运动，完成螺旋槽的刃磨。

(4)后刀面刃磨。后刀面磨削作用是形成钻削刀具切削刃和横刃结构，刀具座通过U轴完成刃磨前的定位，工具磨床通过X、Y、Z、A和W轴五轴联动，利用砂轮端面I的-90°位置完成后刀面的刃磨。

(5)横刃修磨。通过X、Y、Z和W轴联动将刀具定位到加工位置；在刃磨过程中，斜边砂轮端面III通过Y、Z运动，配合刀具的A轴旋转完成横刃特征的刃磨。

附图说明

图1为普通钻削刀具的刀具结构和钻削过程钻削力分布情况

图2为本发明的H型横刃结构的微细钻削刀具结构示意图

图3为钻削刀具结构对灰色关联度的影响规律

图4为牧野六轴数控工具磨床

图5为H型横刃钻削刀具磨削工艺流程

图6为微细切削实验装置

图7为不同钻削刀具的微细结构

图8不同钻削刀具钻孔入口处形貌对比

图9为不同类型钻削刀具钻削性能随钻孔数量的变化规律

图10为微细钻削刀具钻头部分磨损情况

具体实施方式

如图2所示：一种适用于航空航天领域精密结构件微小异形内腔钻削加工的H型横刃结构的微细钻削刀具，包括钻柄、钻头和钻颈，所述钻头和钻柄通过钻颈相连，钻头部分具有螺旋状的凹槽，所述钻头端部具有切削结构，所述切削结构包括主切削刃、副切削刃和横刃，所述横刃为H型结构，并在所述主切削刃和横刃之间形成副切削刃。

所述H型横刃钻削加工刀具的主要参数主要整体长度L0、钻柄直径D、微钻直径d、刀具槽长L、锋角2ρ、螺旋角β0、芯径比2t/d、横刃长度l、横刃斜角ψ等；图3为微小异形内腔钻削加工刀具的几何结构示意图，主要包括整体长度L0、刀柄直径D、微刀直径d、微刀槽长L、刀颈锥角αn、第一后角α1、第二后角α2、前角γ、第一后刀面宽度l、螺旋角β0等。

钻削刀具的切削性能不仅与刀具材料、切削工艺有关，而且与刀具结构有着重要关系，为了更好的优化切削工具的锋角、芯径比、螺旋角以及横刃长度，基于Deform-3D有限元仿真软件开展正交仿真试验分析上述指标对微细钻削刀具钻削温度、切屑力、扭矩和刀具磨损等优化指标的影响，结果如下：

随着锋角的增大，钻削温度先降低后升高，并在120°时达到最小值；随着芯径比的增大，钻削温度呈现不断增加的趋势，随着螺旋角的增大，钻削温度呈现不断降低的趋势，这是因为随着螺旋角的增加，钻削刀具的主切削刃的前角不断增大，刀具更加锋利，钻削温度降低；随着横刃长度的增加，钻削温度呈现先增大后减小的趋势，并在40μm时达到了最大值；同时，通过对极差数据的分析，微细钻削刀具几何结构对钻削温度影响的主次关系为：螺旋角>芯径比>峰角>横刃长度。

随着锋角的增大，切削力呈现出先减小后增大的趋势，并在锋角为130°时取得最小值，这是因为随着锋角的增大，钻削刀具后刀面形成中凹形状，更加易于切屑排除，造成切削力下降，但锋角太大会造成横刃处负前角过大，影响程度超过了前面的排屑作用，造成了钻削力增大；随着芯径比的增大，切削力呈现不断增加的趋势；随着螺旋角的增大，切屑力呈现不断降低的趋势；随着横刃长度的增加，切削力不断增加，这是因为横刃处的负前角结构是引起轴向力增大的主要因素，因此随着横刃长度的增加，轴向力不断提高。同时微细钻削刀具结构对钻削轴向力的影响主次关系为横刃长度>芯径比>螺旋角>峰角。

钻削刀具锋角的增大，扭矩不断减小；随着芯径比的增大，扭矩呈现不断升高的趋势；随着螺旋角的增大，扭矩呈现出先减小后小幅度上升的规律，并在螺旋角为30°时达到最小值；随着横刃长度的增加，扭矩呈现先小幅度减低后大幅度升高的趋势，在横刃长度为30μm时达到最小值。微细钻削刀具几何结构对扭矩影响的主次关系为芯径比>横刃长度>峰角>螺旋角。

随着锋角的增大，刀具磨损呈现波动趋势；随着芯径比的增加，刀具磨损整体呈现出增加的趋势，这是因为钻削刀具随着芯径比的增大，排屑空间减小，主切削刃长度降低，造成单位切削刃长的切削力变大，且切屑不容易排除，对刀具切削刃造成磨损；随着螺旋角的增大，刀具磨损呈现不断降低的趋势，这是因为随着螺旋角的增大，排屑更加容易，切削刃前角增大，单位切削厚度下切削刃受的阻力和磨损力更小，刀具磨损更加小；随着横刃长度的增加，刀具磨损呈现不断增加的趋势，这是因为横刃长度的在增加，横刃挤压作用更明显，刀具磨损更大。微细钻削刀具几何结构对刀具磨损的影响主次关系为峰角>螺旋角>芯径比>横刃长度。

采用灰色关联度理论对仿真试验结果进行深入分析。根据分析结果发现芯径比对四项切削性能指标影响最大，其次是横刃长度、螺旋角、锋角。如图3所示，最佳的微细钻削刀具结构为锋角120°、芯径比0.25、螺旋角为35°、横刃长度为20μm。

H型横刃结构的微细钻削刀具的刃磨制备是在牧野精机六轴数控工具磨床上完成的(CNS7d，Makino Seiki)，如图4所示。该六轴数控磨床可以实现五轴(X、Y、Z、A、W轴)联动，具有较高的灵活性，U轴的存在保证了刀具刃磨的定位精度，非常适合小直径刀具的刃磨制备。该磨床配备砂轮修整装置和自动上料机械手，可以实现砂轮的在位修整和刀具棒料的自动上下料。机床配备的仿真软件(MSPS-II)，可以准确模拟刀具刃磨过程、分析机床运动方式以及开展程序的干涉检查。

如图5所示，H型横刃结构的微细钻削刀具的刃磨过程主要包括以下五个工序：尖端切断、圆柱磨削、螺旋槽磨削、后刀面磨削和横刃修磨。

(1)尖端切断。尖端切断工序是为了去除棒料端面的表面缺陷，在开展尖端切断前，通过X、Y和W轴三轴联动，确定切断位置；加工开始时，平行砂轮端面II通过Z轴进给，完成刀具棒料的尖端切断。因此，可以通过对Y轴微量补偿来调正尖端切断设置值。

(2)圆柱磨削。圆柱磨削是为了去除刀具棒料表面的氧化物，保证刀具的整体几何尺寸。磨床通过X、Z移动到待加工位置，刃磨开始后，平行砂轮端面I通过X轴进给，Y轴控制磨削深度，将刀具棒料刃磨至指定尺寸。因此，机床和砂轮磨损引起的刃磨误差可以通过对X和Y轴微量调节进行调正。

(3)螺旋槽刃磨。螺旋槽作为微细钻削刀具的重要结构，是决定钻削刀具排屑能力和刚度的重要因素，钻削刀具的螺旋角和芯径比均为控制此结构的重要参数。斜边砂轮端面III通过X、Z轴移动到指定位置，刀具工作台通过Y、W轴到达螺旋槽刃磨前的准备位置；刃磨过程中，X、Y轴形成插补运动，保证刀具沿着轴向方向移动(U轴方向)，同时配合A轴旋转，形成沿着刀具棒料的螺旋运动，完成螺旋槽的刃磨。螺旋角的微量补偿需要通过X、Y轴共同补偿，而芯径比的误差可通过Z轴调节刃磨开始的初始位置，达到调节芯径比的作用。

(4)后刀面刃磨。后刀面磨削作用是形成钻削刀具切削刃和横刃结构，其主要特征参数为锋角、横刃斜角等。刀具座通过U轴完成刃磨前的定位，后刀面磨削是一个及其复杂的过程，工具磨床通过X、Y、Z、A和W轴五轴联动，利用砂轮端面I的-90°位置完成后刀面的刃磨。基于后刀面的刃磨原理，当微细钻削刀具锋角和横刃斜角尺寸出现误差，可以通过调节A轴的补偿进行横刃斜角的修正，通过W轴完成锋角的修正。

(5)横刃修磨。在加工前，通过X、Y、Z和W轴联动将刀具定位到加工位置；在刃磨过程中，斜边砂轮端面III通过Y、Z运动，配合刀具的A轴旋转完成横刃特征的刃磨。因此，横刃处的刃磨误差补偿主要通过Y和Z轴的微量调节进行修正的，Y轴主要影响横刃修磨的偏心位置，Z轴主要影响横刃的高度方向，通过对Y轴和Z轴的微量补偿可以实现横刃的精密刃磨。

为了验证H型横刃结构的微细钻削刀具的钻削性能，设计微细钻削试验方案。微细钻削实验是在DMG五轴数控加工中心(DMU80 monoBLOCK)上进行的，实验装置如图6所示。采用上述刃磨工艺方法制备H型横刃和普通钻削刀具，刀具材料为IMC的UF09硬质合金材料，如图7所示，普通钻削刀具横刃未处理，H型横刃结构的微细钻削刀具采用H型横刃修磨方法，两种钻削刀具其余几何结构参数均保持一直，即直径0.25mm、锋角120°、芯径比0.25、螺旋角35°，加工工件采用9Cr18Mo马氏体不锈钢材料，工件通过台钳固定在测力仪(Kistler9527B)上，该测力仪通过信号采集器、数据放大器和计算机对力信号进行采集处理，同时为提高转速、降低跳动误差，实验采用NAKANISHI高速精密主轴(HES801-HSKA63)，该高速主轴可以提供80000r/min的最高转速，包括主轴、过滤器、控制器等部件。

在主轴转速30000r/min，进给速度50mm/min，啄钻深度0.03mm，钻削深度1.5mm的条件下，分别对H型横刃和普通钻削刀具的钻孔形貌进行观察分析，如图8所示。随着微小孔数量的增加，微孔的钻削精度逐渐降低，入口毛刺增多，其中H型横刃结构的微细钻削刀具的钻孔质量较为稳定，第30个微孔只有少量毛刺和边缘破损，而普通微细钻削的刀具在前25个微孔钻削中，与H型横刃结构的微细钻削刀具的钻孔质量相差不大，而在钻削第30个孔时，微孔出现了大范围的破损和毛刺，且刀具继续钻削过程中发生了断裂，因而H型横刃钻削刀具钻孔质量较好且刀具寿命较长。

钻削轴向力可以较为清晰地检测钻削刀具的工作情况，同一个深孔钻削。因此，为了定量评价横刃修磨和普通钻削刀具的钻削性能和刀具寿命，通过测力仪记录钻削过程的钻削轴向力，利用基恩士测量软件对微孔入口处圆度误差进行检测，其原理是通过测量圆孔的最大直径和最小直径后求差得到圆度误差值。如图9所示，可以看出随着钻孔数量的增加，两种类型的钻削刀具的圆度误差和钻削轴向力均逐渐增大，特别是普通钻削刀具在钻孔数量达到15个以后，其圆度误差增大速度变快，说明普通钻削刀具的磨损随着钻孔数量增大，磨损速度逐渐增大，而H型横刃结构的微细钻削刀具其圆度误差和钻削轴向力均相对较小，且随着钻孔数量增大，其圆度误差和轴向力增大速度较为平稳，反映出H型横刃结构的微细钻削刀具抗磨损性能较高，具有比普通钻削刀具更加优异的钻削性能和刀具寿命。

对加工完30个微孔的钻削刀具进行检测观察，如图10所示，可以看出H型横刃和普通钻削刀具的切削刃和横刃部分均有一定的磨损，特别是在横刃部分磨损较大。为了定量对刀具磨损分析，利用基恩士检测软件对微细钻削刀具磨损部分进行测量，普通钻削刀具主要磨损表现为切削刃处15.93μm、横刃34.98μm以及后刀面的大面积磨损；而H型横刃结构的微细钻削刀具表现为切削刃15.82μm、横刃21.16μm的磨损，且后刀面无明显磨损现象，与普通钻削刀具相比，H型横刃结构的微细钻削刀具横刃处磨损大幅度降低，这是因为H型横刃减少了横刃长度，形成了横刃与切削刃过渡区域的副切削刃，增加了钻削能力，同时也减少了后刀面与工件的干涉，极大地降低了横刃磨损，也避免了后刀面的磨损。

由此可见，与普通钻削刀具相比，H型横刃结构的微细钻削刀具钻孔具有较好的圆度精度和较小的钻削力，可以降低横刃和后刀面的磨损，从而提高钻孔质量和刀具的使用寿命。

Claims (4)

1.一种具有H型横刃结构的微细钻削刀具，包括钻柄、钻头和钻颈，所述钻头和钻柄通过钻颈相连，钻颈锥角αn、钻头部分具有螺旋状的凹槽，所述钻头端部具有切削结构，其特征在于：所述切削结构包括主切削刃、副切削刃和横刃，所述横刃为H型结构，并在所述主切削刃和横刃之间形成副切削刃。

2.一种如权利要求1所述的具有H型横刃结构的微细钻削刀具，其特征在于：所述切削结构还包括第一前刀面、第一后刀面，第二前刀面、第二后刀面和刃带，所述第二后刀面在所述横刃处形成所述副切削刃。

3.一种如权利要求2所述的具有H型横刃结构的微细钻削刀具，其特征在于：所述钻削加工刀具钻头部分直径为d，两个主切削刃之间的夹角为锋角、锋角为120°，芯径比2t/d、大小为0.25、螺旋角β0大小为35°、横刃长度l为20μm。

4.一种具有H型横刃结构的微细钻削刀具的制备方法，采用六轴数控工具磨床刃磨而成，该六轴数控磨床可以实现五轴(X、Y、Z、A、W轴)联动，U轴的存在保证了刀具刃磨的定位精度，该磨床配备砂轮修整装置、自动上料机械手和仿真软件，其特征在于主要包括以下步骤：

(1)尖端切断。通过X、Y和W轴三轴联动，确定切断位置；加工开始时，平行砂轮端面II通过Z轴进给，完成刀具棒料的尖端切断；

(2)圆柱磨削。床通过X、Z移动到待加工位置，刃磨开始后，平行砂轮端面I通过X轴进给，Y轴控制磨削深度，将刀具棒料刃磨至指定尺寸；

(3)螺旋槽刃磨。斜边砂轮端面III通过X、Z轴移动到指定位置，刀具工作台通过Y、W轴到达螺旋槽刃磨前的准备位置；刃磨过程中，X、Y轴形成插补运动，保证刀具沿着轴向方向移动(U轴方向)，同时配合A轴旋转，形成沿着刀具棒料的螺旋运动，完成螺旋槽的刃磨；

(4)后刀面刃磨。后刀面磨削作用是形成钻削刀具切削刃和横刃结构，刀具座通过U轴完成刃磨前的定位，工具磨床通过X、Y、Z、A和W轴五轴联动，利用砂轮端面I的-90°位置完成后刀面的刃磨；

(5)横刃修磨。通过X、Y、Z和W轴联动将刀具定位到加工位置；在刃磨过程中，斜边砂轮端面III通过Y、Z运动，配合刀具的A轴旋转完成横刃特征的刃磨。

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